Порядок виконання роботи

1. Зняти залежність фотоструму від кута повороту призми.

2. Побудувати залежність інтенсивності, що пройшла крізь призму випромінювання у відносних одиницях від кута.

3. На цьому ж графіку побудувати теоретичну залежність відза законом (3).

4. Визначити ступінь поляризації лазерного випромінювання за формулою:

,

де ,– максимальна і мінімальна інтенсивності світла, що пропущена призмою.

5. Визначити орієнтацію вектора випромінювання у просторі.

Результати вимірювань занести до таблиці 2.

Таблиця 2

				, %
1. 2. 3.

Питання для самоперевірки

1. Як створюється інверсне заселення рівнів атомів He у газорозрядній трубці He-Ne лазера ?

2. Чи однакова концентрація атомів He і Ne в суміші у газорозрядній трубці He-Ne лазера ?

3. Який тиск використовується у газорозрядній трубці He-Ne лазера ?

4. Чим відрізняється спонтанне і вимушене випромінювання ?

5. Яке випромінювання (спонтанне чи вимушене) лежить в основі генерації лазерного випромінювання в оптичному резонаторі ?

6. Чому випромінювання He-Ne лазера є монохроматичним ?

7. Чому випромінювання He-Ne лазера має високу ступінь спрямованості ?

8. Як визначається розбіжність лазерного променя ?

9. Чому випромінювання He-Ne лазера є плоскополяризованим ?

10. Який закон спостерігається при дослідженні поляризації лазерного випромінювання ?

Модуль 3. Атомна фізика Лабораторна робота № 9 вивчення законів теплового випромінювання речовин та вимірювання температури нагрітих тіл за допомогою оптичного пірометра

Мета роботи:вивчити закони теплового випромінювання речовин та ознайомитись з оптичними методами вимірювання температури нагрітих тіл.

Прилади:оптичний пірометр з ниткою, що зникає; джерело постійного струму; джерело світла - електрична лампа; амперметр; вольтметр; регулятор напруги (ЛАТР).

Теоретичні відомості

Для вимірювання температури тіл застосовують термометри розширення, електричні термометри опору і термопари. Для цього необхідно мати тепловий контакт з тілом, температура якого вимірюється. Але іноді зробити це важко якщо нагріте тіло рухається або неможливо коли тіло знаходиться далеко від спостерігача, наприклад, зірка. У цих випадках, а також за значних температур тіла (T2000 К) застосовують безконтактні методи вимірювання температур, засновані на законах теплового випромінювання тіл. Ці прилади називаються пірометрами, а розділ експериментальної фізики, в якому розробляються принципи вимірювання температури оптичними методами, -пірометрією. Верхньої межі вимірювання температур пірометри не мають, їх з успіхом використовують у промисловості для вимірювання температур у доменних печах, контролю температур синтетичної нитки при виготовленні штучного волокна, у дефектоскопії різноманітних об'єктів та деталей, що рухаються, тощо.

Будь-яке випромінювання відбувається за рахунок внутрішньої енергії, яка витрачається при випромінюванні. Випромінювання нагрітих тіл називають тепловим(температурним). Нагрітим є будь-яке тіло, температура якого перевищує нуль градусів Кельвіна.

Теплове випромінювання - практично єдине, яке може бути рівноважним. Нехай нагріте тіло знаходиться в порожнині, внутрішня оболонка якої ідеально відбиває. З часом встановлюється рівновага між тілом і його випромінюванням: в одиницю часу тіло буде поглинати стільки енергії, скільки й випромінювати. Якщо з якоїсь причини рівновага порушиться ,наприклад, тіло буде більше випромінювати, ніж поглинати, то температура тіла почне знижуватись, а кількість енергії, що випромінюється, зменшуватися доти, поки знов не настане рівновага.

Теплове випромінювання відбувається за рахунок внутрішньої енергії тіла, тобто за рахунок енергії теплового руху атомів і молекул речовині, тому воно залежить від температури тіла. Всі нагріті тверді й рідкі тіла дають суцільний неперервний спектр випромінювання, тобто у ньому спостерігаються всі довжини хвиль у діапазоні від 0 до  (рис. 1). Але розподіл енергії по довжинах хвиль у спектрі нерівномірний. Енергія, яка випромінюється в різних ділянках спектра, залежить від температури тіла. Так, за температури 900...1000 К найбільша енергія випромінювання припадає на інфрачервоні та червоні ділянки спектра (червоне розжарення). У разі подальшого нагрівання тіла частка енергії, що припадає на видимі промені, збільшується, підсилюється і світіння - воно стає білим (біле розжарення).

Рис. 1. Випромінювання абсолютно чорного тіла при різних температурах T₁  T₂  T₃ C-селективне випромінювання деякого тіла.

Основні характеристики випромінювання:

1) випромінювальна здатність .

2) спектральна густина випромінювальної здатності .

Енергія, яку випромінює одиниця площі тіла за одиницю часу в усіх напрямах у всьому діапазоні довжин хвиль, називається випромінювальною здатністю (інтегральною випромінювальною здатністю речовини, або інтегральною світністю) за даної температури T:

.

Випромінювальна здатність залежить від природи речовини та її температури T.

Оскільки речовина випромінює різну енергію в різних ділянках спектра, вводять поняття спектральної густини випромінювальної здатності - енергії, що випромінюється з одиниці площі тіла за одиницю часу в одиничному інтервалі довжин хвиль, в околі довжини хвилі (монохроматичне випромінювання):

.

Тоді повна енергія випромінювання тіла у всьому діапазоні довжин хвиль:

.

Спектральний коефіцієнт поглинання (поглинальна здатність тіл) - безрозмірна величина, що показує, яку частину монохроматичного потоку падаючої на тіло енергії поглинає дане тіло:

.

Ця величина залежить від довжини хвилі і температури. Для всіх реальних тіл: . Але можна уявити собі так званеабсолютно чорне тіло, яке поглинає всі промені, що падають на нього, для якого =1.

Теплове випромінювання описується наступними законами.

1. Закон Кірхгофа - відношення спектральної густини випромінювальної здатності до спектрального коефіцієнта поглинання не залежить від природи випромінюючих тіл, і є універсальною функцією довжини хвилі та температури. Для абсолютно чорного тіла ця функція дорівнює спектральній густині випромінювальної здатності заданого абсолютно чорного тіла:

. (1)

Таким чином, чим більше тіло поглинає енергії, тим більше воно випромінює. Знання законів випромінювання абсолютно чорного тіла дає можливість розраховувати випромінювання будь-якого тіла, якщо його спектральний коефіцієнт поглинання .

2. Закон Стефана - Больцмана - випромінювальна здатність абсолютно чорного тіла прямо пропорційна четвертому степеню температури:

. (2)

де - стала Стефана – Больцмана,.

Розподіл енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла за різних температур зображено на рис.1. Площі, обмежені кривими графіків, дорівнюють випромінювальним здатностям тіла за різних температур .

3. Перший закон Віна, так званий закон зміщення - довжина хвилі, на яку припадає максимум спектральної густини випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла, обернено пропорційна температурі T:

. (3)

де .

Із (3) випливає, що з підвищенням T максимум кривої на рис. 1 зміщується в бік коротких довжин хвиль.

4. Другий закон Віна - максимальна спектральна густина випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла пропорційна п’ятому ступеню температури:

, (4)

де .

Моделлю абсолютно чорного тіла можна вважати деякий замкнений об'єм з непрозорими рівномірно нагрітими стінками і дуже малим отвором (рис. 2). Промінь, що зайшов всередину, багато разів відбивається і практично повністю поглинається порожниною. В техніці внутрішній простір нагрівальної, а також доменної печі, всі стінки якої мають приблизно однакову температуру і малий отвір для спостереження, з деяким наближенням можуть вважатися абсолютно чорним тілом.

Рис. 2.

Для більшості реальних тіл випромінювання енергії відбувається по-різному в різних ділянках спектра, причому в деяких воно повністю відсутнє. Таке випромінювання носить назву селективного (рис. 1, крива 4).

Є тіла, що називаються сірими: вони випромінюють енергію у всьому спектрі з однаковим , але інтенсивність їх випромінювання менша, ніж у абсолютно чорного тіла. Залежністьвіду них аналогічна, тільки кривабуде розташована на рис. 1 нижче.

Для повного випромінювання реальних (сірих) тіл можна записати формулу , де-коефіцієнт чорноти, який дорівнює відношенню випромінювальної здатності цього тіла до випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла за однакової температури T:

. (5)

Цей коефіцієнт показує, як відрізняється випромінювальна здатність реального (сірого) і абсолютно чорного тіл. Коефіцієнт залежить відТ, природи тіла і стану його поверхні. Якщо відомо коефіцієнт чорноти будь-якого тіла, то можна розрахувати його випромінювальну здатність:

. (6)

Теплове випромінювання широко застосовується для вивчення властивостей і визначення температури тіла, що випромінює. Оптичні методи визначення Т спираються на залежність випромінювальної здатності і спектральної густини випромінювальної здатностівід температуриТ. В оптичному пірометрі одна з характеристик випромінювання тіла, що вивчається, порівнюється з відповідною характеристикою випромінювання абсолютно чорного тіла.

Розрізняють три температури, функціонально пов’язані з дійсною термодинамічною температурою і випромінюванням нагрітого тіла: радіаційна , кольороваі яскравісна.

1. Радіаційна температура - температура абсолютно чорного тіла, за якої його випромінювальна здатність дорівнює випромінювальній здатності тіла, що досліджується. Пірометр, який вимірюєназиваютьрадіаційним.

Під час вимірювань прилад, розташований достатньо далеко від джерела випромінювання, наводиться на нього так, щоб була можливість за допомогою об'єктива одержати на приймачі різке зображення джерела. Оскільки випромінювання реального тіла завжди менше абсолютно чорного, то дійсна температура тіла завжди більша від. Щоб одержати зв’язок міжі, необхідно мати коефіцієнт чорноти. Для багатьох тілвідоме. Тодіможна обчислити за формулою, що випливає із закону Стефана – Больцмана:

, (7)

звідки

. (8)

Для деяких тіл, наприклад оксидів металу, близький до одиниці, томуЗ підвищенням температури тіла його радіаційна температура наближається до дійсної.

Оскільки визначення температури радіаційним пірометром спирається на залежність R від , ці прилади відзначаються високою точністю:

.

Звідси випливає, що в процесі вимірювання з відносною точністю до 4% можна визначити Т з точністю до 1%. Зручність радіаційних пірометрів обумовлена також тим, що вони можуть вимірювати T в широкому інтервалі температур, оскільки вимірюють всю енергію випромінювання тіл і не пов’язані з певною частиною спектра, наприклад, з видимим спектром. Але у визначення радіаційної температури вносить похибку поглинання випромінювання в середовищі, що знаходиться між джерелом випромінювання й приймачем, яке важко враховувати. Крім того,буде залежати від відстані між джерелом випромінювання і приймачем та від розмірів нагрітого тіла. Щоб не було впливу цих факторів, випромінювання тіла, яке досліджується, звичайно збирають параболічним рефлектором, або двояко опуклою лінзою, а потім спрямовують на приймач випромінювання.

Рис. 3.

2. Кольорова температура тіла - температура абсолютно чорного тіла, максимум випромінювання якого збігається з максимумом випромінювання тіла, що досліджується. Для визначенняза допомогою спеціальних спектральних приладів вимірюється, а потім за законом Віна (3) обчислюється:

. (9)

Для визначення треба знати відношення спектральних густин випромінювальних здатностей тіла, що досліджується, і абсолютно чорного тіла. Цей метод використовують лише для сірих тіл, у яких розподіл енергії в спектрі випромінювання і в спектрі абсолютно чорного тіла збігається, наприклад , вугілля, оксидів деяких металів.

3. Найбільш широко застосовується оптичний метод визначення температури пірометром з ниткою розжарення, що зникає. У цьому методі порівнюється енергія випромінювання в деякому спектральному інтервалі у тіла, що досліджується, і абсолютно чорного тіла. Температура, яка вимірюється, не є дійсною, її називають яскравісною температурою тіла , тобто- це температура абсолютно чорного тіла, за якої енергетична яскравість його дорівнює енергетичній яскравості тіла, що досліджується, за однакової довжини хвилі.

Щоб визначити дійсну температуру тіла, слід ввести поправку . Оскільки за однакової температури випромінювання реальних тіл завжди менше, ніж випромінювання абсолютно чорного тіла, то рівність реальної густини випромінювальної здатності в певному проміжку довжин хвильу абсолютно чорного і реального тіла спостерігається в тому випадку, коли останнє нагріто більше, тобтоі поправкадодатна, тобто. Визначаєтьсяза графіком (рис. 4), що додається до пірометра.

Визначення температури нитки розжарення і електричної лампи пірометром з ниткою, що зникає.